高中物理人教版第五章曲线运动实验研究平抛运动 平抛运动演示实验的改进

平抛运动演示实验的改进

摘要：现在的科学技术日新月异，高速发展，如何利用我们手中一些先进的工具，加入到我们的课堂教学中来，改进我们现有的教育教学手段，改进我们的现有实验方式，提高教学效率，是摆在我们面前的一个热门话题，也是我们一线教师在教育教学活动中应该多观察、多思考、多探究和多实践的。例如，我们可以用具有频闪功能的数码相机来改进平抛运动演示实验。

关键字：频闪照相、平抛运动

一、用更精细的方法来演示平抛运动

粤教版必修2第一章《抛体运动》第四节《平抛物体的运动》，是高中物理中一个重要的知识点，也是高考考点。从原来的直线运动到曲线运动，学生的学习很容易遇到障碍，我们教师需要考虑怎样将问题化难为简。平抛运动的概念是：水平抛出的物体只在重力作用下的运动。从运动性质上看，平抛运动是加速度为重力加速度的匀加速曲线运动，轨迹是抛物线。

图1、传统的平抛运动实验器我们教师如何对平抛运动进行运动的分解和探究讲解，才让复杂的曲线运动简单直观和易于理解呢？传统的平抛运动演示仪（如图1），操作比较复杂、繁琐，在课堂上做演示探究时比较费时，实验得出平抛运动小球的痕迹是靠复写纸留下的，时隐时现，不够清晰，而且误差比较大，不利于我们对平抛运动的分解学习，不利于对平抛运动特点的分析和论证。课本必修2第16页提到：我们可以用频闪照相的方法更精细地研究平抛运动的两个分运动的性质。并且附有频闪照片，说明用频闪照相的方法能得出更准确的数据。但是一般来说频闪照相实验在大学才有条件开展，在中学实验室中并没有配备这些实验设备，我们如何利用手中现有的器材（如相机）来实现频闪照相呢？在热爱摄影的刘主任的指导和协助下，我成功地实现了利用数码相机对平抛运动的小球进行频闪照相，取得良好的实验效果。一、实验过程1、实验目的利用具有频闪功能的数码相机演示和分析平抛运动的特点

2、材料器具

平抛轨道（带钢球）、水平尺、具有频闪功能的闪光灯（例如尼康SB800、SB900、索尼F58AM等）、支持手动功能的数码相机、黑布（背景）、计算机及其辅助软件（几何画板）。如图2所示。

3、方法步骤

（1）安装好平抛轨道，用水平尺检测出口轨道是否水平；

（2）安装好数码相机（设定快门时间为1秒）及闪光灯（闪光频率为20Hz，闪6次），调整好焦距；

（3）在斜轨上释放小球，让小球做平抛运动；

（4）按下快门，闪光灯多次曝光，抓拍小球在空中运动的图像；

（5）重复步骤（3）和（4），选取一张效果最好的相片（小球刚好离开水平轨道）；

（6）将相片放在计算机的几何画板软件中，套上网格线，分析做平抛运动的小球在水平方向和竖直方向上的运动特点。

4、实验结果与结论

①从照片中可以很直观地看到平抛运动的轨迹，如图3所示；

②经过几何画板的网格分析可见：相邻的两个小球在水平方向距离几乎相等，在竖直方向上的距离比基本满足1：3：5：……的关系，如图4所示。说明做平抛运动的小球，在水平方向上做匀速直线运动，在竖直方向上做初速度为零的匀加速直线运动。

5、实验注意：

（1）数码相机的镜头最好使用定焦镜，这样就能更容易照出清晰的小球；

（2）实验中最重要的器材之一就是具有频闪功能的闪光灯，实验前可以调节不同的频率多次拍照，设定自己认为合适的闪光频率和次数；

（3）如果直接对小钢球进行拍照，会使光滑银色的小钢球反光导致照出来的小钢球变成一个个光点，实验时最好将小钢球涂成白色；

（4）因为闪光灯多次曝光，反光很强，最好在黑色的背景下进行拍摄，比如用黑色棉布做背景，这样才不至于反光太强，也能使相片中的小钢球显得更清晰。

三、讨论与延伸

对于上述从实验得出的结论，我们可以运用牛顿运动定律作出分析和解析。小钢球离开水平轨道后，在水平方向（即初速度方向）上不受力，小钢球由于惯性而做匀速直线运动，速度等于平抛物体的初速度。在竖直方向上，小钢球只受重力的作用，并且初速度为零，小钢球做自由落体运动。

综上所述，我们可以得出如下结论：平抛运动在水平方向上的分运动是匀速直线运动；在竖直方向上的分运动是自由落体运动。

这样，我们就可以把比较复杂的平抛运动分解为两个简单的直线运动，从而使问题的研究大大地简化了，学生掌握平抛运动的特点也变得更加容易。

与传统的平抛运动演示仪相比，用数码相机频闪照相得出来的平抛运动图片，非常直观，再用几何画板分析它的运动特点，准确明了，学生更容易理解和接受。虽然课本上有平抛运动的频闪照片，但是中学实验室里面基本没有这样的仪器，学生也不是很明白频闪照相是怎么回事，通过对新技术的应用，利用一台带手动功能的数码相机和具有频闪功能的闪光灯，我们也很容易实现频闪照相，将复杂的曲线运动分解处理，使复杂的现象简单明了，提高课堂效率。

在演示使用频闪照相的过程中，我们可以抽一点时间来跟学生讲解频闪照相的原理，比如频闪照相时闪光的时间间隔是固定的，它与打点计时器的效果有相同的地方，使学生以后面对有关频闪问题时能够从容面对。如果我们在照相的时候放上刻度尺，根据频闪的频率和两个小球之间竖直方向的距离，可以计算平抛运动在竖直方向上的加速度（即重力加速度g），如图5所示。我们还可以更进一步地在其它的实验中实践和探究使用频闪照相技术，例如将频闪照相技术应用到牛顿第二定律的实验中，代替打点计时器，可以完全消除因为纸带与打点计时器间的摩擦带来的影响。类似的应用还有很多，这就需要我们物理教师在平时的教学活动中